模擬十字路口交通燈.doc

單片機課程報告模擬十字路口交通燈班級:學號:姓名:第1章 交通燈總體設(shè)計當前，大量的信號燈電路正向著數(shù)字化、小功率、多樣化、方便人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)， 多值化方向發(fā)展隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。1.1 交通燈工作原理本系統(tǒng)采用89C51內(nèi)部帶有4K存儲器的單片機，與8031相比，不用擴展程序存儲器，減少硬件線路連線。L298N性能描述 L298N是內(nèi)部具有二個H橋電路驅(qū)動芯片，每個H橋引出兩條導線驅(qū)動步進電機的一相。驅(qū)動性能好，穩(wěn)定性能高。步進電機性能描述 可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價，步距誤差不長期累積，可以組成結(jié)構(gòu)既簡單又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)。按鍵電路簡單，易于控制；本系統(tǒng)共設(shè)有十個數(shù)字鍵和六個功能鍵：數(shù)字鍵09(m0m9)、坐標輸入確定鍵(m11) 、選設(shè)定點鍵(m12) 、 圓周運動鍵(m13) 、自行設(shè)定的運動鍵(m14)和功能輸入坐標鍵(m15)。數(shù)碼顯示為了使軟件編程簡單，本系統(tǒng)利用可編程I/O芯片8255。1.2 交通燈總體設(shè)計傳統(tǒng)的交能信號燈控制電路一般由數(shù)字電路構(gòu)成，電路復雜、體積大、成本高。采用單片機控制交能信號，不僅可以簡化電路結(jié)構(gòu)、降低成本、減小體積，而且，根據(jù)主、支干道車流量發(fā)生變化的實際情況，通過撥盤開關(guān)可以很方便地進行主、支干道通車時間的設(shè)定。有一條主干道和一條次干道的城市交叉路口，每邊（共4邊）都設(shè)置紅、綠、黃色信號燈，紅燈亮表示禁止通行；綠燈亮表示可以通過；在綠燈亮轉(zhuǎn)變?yōu)榧t燈亮之前，先要求黃燈亮幾秒鐘，以便讓交叉路口停車線以外的車輛停止運行，而交叉路口停車線以內(nèi)的車輛快速通過交叉路口。每一邊的紅、綠、黃色信號燈亮的順序是紅綠黃紅綠黃。主干道紅燈亮時，對應次干道的綠燈亮、黃燈亮；主干道綠燈亮、黃燈亮時，對應次干道的紅燈亮。這樣就要求主干道紅燈亮的時間，應等于次干道綠燈亮與黃燈亮的時間之和；同理，次干道紅燈亮的時間，應等于主干道綠燈亮與黃燈亮的時間之和。有的時候，紅、綠、黃色信號燈亮的時間，要求采用倒計時的方式，用十進制數(shù)字顯示出來。當使兩條路線交替地成為放行線和禁行線時，就可以實現(xiàn)定時交通控制。由主線和支線構(gòu)成的路口，其交通控制的原則是：盡可能保證主線的暢通。因此，在通常情況下都是主線放行。只有在支線有車輛到達時，才放行支線。具體描述如下：()在通常情況下，主線為綠燈，支線為紅燈。當支線有車輛到達時，延遲6s后，使主線由綠燈變黃燈。再經(jīng)4s，主線由黃燈變紅燈，支線由紅燈變綠燈。()支線變綠燈后，如主線到達車輛少于3輛，則支線綠燈維持25s，然后變黃燈，再經(jīng)4s變?yōu)榧t燈，同時，主線由紅燈變綠燈。()若支線變綠燈后的25s之內(nèi)，主線由3輛以上車輛到達，則在第三輛車到達時，支線變?yōu)辄S燈，延遲4s后變?yōu)榧t燈，同時，主線由紅燈變綠燈。()允許急救車、警車優(yōu)先通過的要求。當有急救車、警車到達時，路口的信號燈全部變紅，以便讓急救車、警車通過。假定急救車、警車通過時間為10s，急救車、警車通過后，交通燈恢復先前狀態(tài)。具體設(shè)計要求：()該設(shè)計能控制東、西、南、北四個路口的紅、黃、綠信號燈正常工作。()當東西方向放行、南北方向禁行時，東西方向綠燈亮25s，然后黃燈亮5s；南北方向紅燈亮30s。()當南北方向放行、東西方向禁行時，南北方向綠燈亮25s，然后黃燈亮5s；東西方向紅燈亮30s。()在定時交通信號燈控制的基礎(chǔ)上，增加允許急救車、警車優(yōu)先通過的要求。當有急救車、警車到達時，路口的信號燈全部變紅，以便讓急救車、警車通過。假定急救車、警車通過時間為10s，急救車、警車通過后，交通燈恢復先前狀態(tài)。設(shè)定以按鍵K代表有急救車到來，并以中斷方式進行處理。在P3.2連接按鍵K。當按鍵K按下，表示急救車到來，此信號申請中斷，各路口的狀態(tài)均為紅燈，顯示時間為10s。第2章 硬件電路詳細設(shè)計采用多種專用仿真芯片，仿真器可以完全自檢，可與微機串口、并口、USB口通信。硬件斷點數(shù)目、位置無限制、無限制夭折，硬件測試，運行時間統(tǒng)計，邏輯筆。128K仿真RAM（64K程序、64K數(shù)據(jù)），仿真RAM出借。分辨率為1個字節(jié)，可仿真低電壓的CPU，多種仿真頻率可供選擇，可仿真幾乎所有底1系列CPU。40M邏輯分析儀、40M實時跟蹤儀、4組事件控制器、1組采樣控制器、40M波形發(fā)生器、動態(tài)斷點、代碼覆蓋、數(shù)據(jù)覆蓋、程序時效分析、數(shù)據(jù)時效分析、頻率計、16M運行計數(shù)器，精度為25ns。2.1 定時交通燈控制2.1.1 芯片的選擇8051芯片引腳功能如下：一.I/O端口8051共有4 I/O端口,為P0,P1,P2,P3；4個I/O口都是雙向的，且每個口都具有鎖存器。每個端口有8條線，共計32條I/O線。P0.0P0.7；P1.0P1.7；P2.0P2.7；P3.0P3.71.P0有三個功能 圖1 8051芯片()外部擴充存儲器時，作數(shù)據(jù)總線（D0D7）()外部擴充存儲器時，作地址總線（A0A7）()不擴充時，作一般I/O使用，內(nèi)部無上拉電阻，作為輸出/輸入使用時應加上拉電阻2.P1只作I/O口使用，有內(nèi)部上拉電阻。3.P2有兩個功能()擴充外部存儲器時，作地址總線（A8A15）使用。()作一般I/O口使用，有內(nèi)部上拉電阻。4.P3有兩個功能除作為I/O口（有內(nèi)部上拉電阻）外，還有一些特殊功能。如下表所示，由特殊寄存器來設(shè)置。表1端口的引腳特殊功能P10（8052）T2 TIMER2的外部輸入引腳（8052）P11（8052）/T2EX (TIMER2的捕捉（Capture）/重新加載（Reload）的觸發(fā))（8052）P30RXD（串行輸入口）P31TXD（串行輸出口）P32/INT0（外部中斷）P33/INT1（外部中斷）P34T0（TMER0的外部輸入腳）P35T1（TMER1的外部輸入腳）P36/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器的寫入控制信號）P37/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器的讀取控制信號）端口1,2,3有內(nèi)部上拉電阻，作為輸入時，其電位被拉高，若輸入為低電平可提供電流源；作為輸出時可驅(qū)動4個LS TTL。而端0作輸入時，處在抗的狀態(tài)，其輸出緩沖器可驅(qū)動8個LS TTL（需外加上拉電阻）。二.RESET復位引腳為高電平時（約2個機器周期），可將CPU復位，CPU復位后累加器及寄存器的初值如下表所示：表2寄 存 器二 進 制 值A(chǔ)CC00000000B00000000PSW00000000SP00000111P0/P1/P2/P311111111IPXXX00000IE0XX00000TMOD00000000TCON00000000三.ALE/PROG地址使能信號端有三種功能：()8051外接RAM/ROM時，ALE接地址器（8282）的STB腳，（74373）的EN腳，當CPU對外部存儲器進行存取時，用以鎖住地址的低位地址。()8051未外接RAM/ROM時，ALE腳會有1/6晶體振蕩頻率，可作為外部時鐘。()在燒寫EPROM時，ALE作為燒寫時鐘的輸入端。四.PSEN 程序儲存使能端()內(nèi)部程序存儲器讀取，不動作。()外部程序存儲器讀?。≧OM），在每個機器周期會動作兩次。()外部數(shù)據(jù)存儲器讀?。≧AM），兩個/PSEN脈沖被跳過不會輸出。()外接ROM時，與ROM的/OE腳連接。五.EA/VPP()接高電平時：CPU讀取內(nèi)部程序存儲器（ROM）。擴充外部ROM，當讀取內(nèi)部程序存儲器超過0FFFH（8051）、1FFFH（8052）時， 自動讀取外部ROM。()接低電平時：CPU讀取外部程序存儲器（ROM）。()8751燒寫內(nèi)部EPROM時，利用此腳21V的燒寫電壓。六.XTAL1 、XTAL2 接晶體振蕩器引腳機器周期晶體12；如12MHz晶體/121微秒2.1.2 硬件設(shè)計(1) 電路原理圖。交通信號燈的控制電路中的核心是8051單片機，其內(nèi)部帶有4KB的ROM。無須擴展程序存儲器；交通燈的控制沒有大量的運算和暫存數(shù)據(jù)，8051芯片內(nèi)的128BRAM已能滿足要求，所以也不必外擴RAM。(2) 信號燈的控制及控制編碼。由后面的附錄圖所示可知，P1.0P1.3控制東西方向的信號燈（用A線表示）；P1.4P1.5控制南北方向的信號燈（用B線表示）。6只發(fā)光二極管是以共陽極連接，所以相應口線輸出高電平則“信號燈”滅；口線輸出低電平則“信號燈”亮。為了實現(xiàn)上述控制要求，P1口共輸出種控制碼。2.1.3 復位電路的設(shè)計單片機復位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，例如復位后PC0000H，使單片機從第個單元取指令。無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位，所以我們必須弄清楚MCS-51型單片機復位的條件、復位電路和復位后狀態(tài)。單片機復位的條件是：必須使RST/Vpd或RST引腳(9)加上持續(xù)兩個機器周期(即24個振蕩周期)的高電平。例如，若時鐘頻率為12MHz，每機器周期為1us，則只需2us以上時間的高電平，在RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個機器周期執(zhí)行復位。 圖2 復位電路2.2 有時間顯示的定時交通燈控制2.2.1 芯片的選擇為了實現(xiàn)在總體設(shè)計中的要求，可以用8255單片機芯片。8255是一個單片機系統(tǒng)常用的可編程芯片，利用指令設(shè)置各口的工作方式。8255芯片連接12個LED顯示器。8255內(nèi)部引腳功能如下：()接口線A、B、C三個I/O借口的引線端分別為：PA0PA7、PB0PB7、PCOPC7共24條端線。三個口皆為鎖存/緩沖寄存器，A口、B口有鎖存功能，C口無鎖存功能。A、B、C三口的工作方式由程 圖3 8255芯片序設(shè)置。A口可設(shè)置為輸入或輸出方式，不能雙向方式工作。B口只能設(shè)置為輸入或輸出方式，不能雙向方式工作。C口可設(shè)置為輸入/輸出口。它的特點是可分成高、低兩個4位使用。上半部PC4PC7與A口組成一組叫A組；下半部PC0PC3與B口組成一組為B組，便與控制。()控制線控制線控制8255的讀、寫、復位及片選等RD/：讀寫控制線，低電平有效，當其為低電平時，CPU對8255進行讀操作，此時8255相應口輸入口。WR/：輸出控制線，低電平有效，當WR/為低電平時，CPU輸出數(shù)據(jù)或命令到8255端口，此時8255相應口為輸出口。 RESET：復位端，高電平有效。當此端為高電平時，8255內(nèi)部寄存器全部清0，24條I/O口線為高電阻狀態(tài)。 CS/：片選線，當CS/為低電平時，CPU選中此8255芯片。()數(shù)據(jù)線 8255是8位芯片，有8位數(shù)據(jù)線D0D7。數(shù)據(jù)線接于8051的PO口，用以實現(xiàn)8255與CPU之間的數(shù)據(jù)傳送。2.2.2 硬件設(shè)計1、電路原理圖。交通信號燈的控制電路中的核心是8051單片機，其內(nèi)部帶有4KB的ROM。無須擴展程序存儲器；交通燈的控制沒有大量的運算和暫存數(shù)據(jù)，8051芯片內(nèi)的128BRAM已能滿足要求，所以也不必外擴RAM。 LED顯示器通過擴展8155I/O接口芯片來連接。通過擴展8255芯片的PA口連接兩位LED顯示器的段選端口，PC口連接兩位LED顯示器的位選端口。由原理圖可知，命令寄存器地址位7F00H；位地址為7F01H；段地址為7F03H。 LED顯示器以共陽極接法連接。2、信號燈的控制及控制編碼。信號燈的控制及控制編碼同定時交通信號燈控制相同。看上表2-2所示即可。3、時間顯示。 30s顯示計數(shù)器設(shè)為50H單元。2.3 有急救車優(yōu)先的交通信號燈控制在定時交通燈控制的基礎(chǔ)上，增加允許急救車優(yōu)先通過的要求。當有急救車到達時，路口的信號燈全部變紅，以便讓急救車通過。假定急救車通過時間為10s，急救車通過后，交通燈恢復先前狀態(tài)。另假定以按鍵K代表有急救車到來，并以中斷方式進行處理。在有時間顯示即倒計時的定時交通信號燈控制電路的基礎(chǔ)上，在P3.2端連接按鍵K（或開關(guān)）。所以其芯片功能都與上述相同。第3章 軟件詳細設(shè)計3.1 程序框圖3.1 數(shù)學模型與算法控制器是交通管理的核心，它應該能夠按照交通管理規(guī)則控制信號燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。從ASM圖可以列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表3、4所示。選用兩個D觸發(fā)器FF1、FFO做為時序寄存器產(chǎn)生 4種狀態(tài)，控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為TL和TY，當控制器處于Q1n+1Q0n+1 00狀態(tài)時，如果TL 0，則控制器保持在00狀態(tài)；如果，則控制器轉(zhuǎn)換到Q1n+1Q0n+1 01狀態(tài)。這兩種情況與條件TY無關(guān)，所以用無關(guān)項“X”表示。其余情況依次類推，同時表中還列出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST。定時器電路圖表3表4 根據(jù)表3、4可以推出狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號方程，其方法是：將Q1n+1、Q0n+1和 ST為1的項所對應的輸人或狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件變量相與，其中“1”用原變量表示，“0”用反變量表示，然后將各與項相或，即可得到下面的方程：交通燈顯示時間的理論分析與計算東西和南北方向的放行時間的長短是依據(jù)路口的各個方向平時的車流量來設(shè)定，并且S1、S2、S3、S4各個狀態(tài)保持的時間之有嚴格的對應關(guān)系，其公式如下所示：T-S1+T-S2=T-S3T-S2=T-S4T-S1=T-S3我們可以依據(jù)上述的標準來改變車輛的放行時間。按照一般的規(guī)則，一個十字路口可分為主干道和次干道，主干道的放行時間大于次干道的放行時間，設(shè)定值時也應以此為參考。3.3 程序清單及注釋設(shè)計的程序有如下要求：正常時：先東西方向紅燈亮，與此同時南北方向的綠燈亮，數(shù)碼管倒計時9秒，亮起的燈都熄滅；之后四個黃燈都亮,閃兩次；然后東西方向綠燈亮，南北方向紅等亮，數(shù)碼管倒計時9秒，亮起的燈都熄滅；之后四個黃燈都亮,閃兩次。當南北有緊急時：按下南北緊急按鈕，南北方向燈全閃。當東西有緊急時：按下東西緊急按鈕，東西方向燈全閃。程序如下：ORG 0000HAJMP XX ；無條件轉(zhuǎn)移到XXORG 0003H ；中斷P3.2的地址AJMP INTT0 ；無條件轉(zhuǎn)移到INTT0ORG 0013H ；中斷P3.3的地址AJMP INTT1 ；無條件轉(zhuǎn)移到INTT1ORG 0030H XX: MOV SP,#60H MOV IE,#85H ；將中斷P3.2和P3.3使能 MOV IP,#01H ；使中斷P3.2的優(yōu)先級高于P3.3MAIN:MOV P1,#00H ；使所有燈熄滅SETB P1.0 ；東西紅燈亮SETB P1.3 ；南北綠燈亮MOV R4,#09H MOV R5,#09HBACK: MOV DPTR,#2100H MOV A,#03H MOVX DPTR,A ；讓PA和PB處于輸出狀態(tài) MOV A,R5 ；數(shù)碼管從9開始倒計時 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV DPTR ,#2102H MOVX DPTR,A MOV DPTR,#2101H MOV A,#50H ；使數(shù)碼管高位顯示 MOVX DPTR,A LCALL DELAY DEC R5 DJNZ R4,BACKCLR P1.0 ；東西紅燈滅CLR P1.3 ；南北紅燈滅SETB P1.4 SETB P1.5 ；黃燈亮LCALL DELAYCLR P1.4CLR P1.5 ；黃燈滅LCALL DELAYSETB P1.4 SETB P1.5 ；黃燈亮LCALL DELAYCLR P1.4CLR P1.5 ；黃燈滅LCALL DELAYSETB P1.2 ；東西綠燈亮 SETB P1.1 ；南北紅燈亮MOV R4,#09HMOV R5,#09HBACK1: MOV DPTR,#2100H MOV A,#03H MOVX DPTR,A MOV A,R5 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV DPTR ,#2102H MOVX DPTR,A MOV DPTR,#2101H MOV A,#50H MOVX DPTR,A LCALL DELAY DEC R5 DJNZ R4,BACK1 ；倒計時9秒CLR P1.2CLR P1.1SETB P1.4SETB P1.5LCALL DELAYCLR P1.4CLR P1.5LCALL DELAYSETB P1.4SETB P1.5LCALL DELAYCLR P1.4CLR P1.5 ；黃燈閃兩下 LCALL DELAYLJMP MAININTT0: ；急救車中斷子程序MOV R0,P1AND P1,00HSETB P1.0SETB P1.1MOV R5,#09HLOOP0:LCALL DELAYDJNZ R5,LOOP0AND P1,00HORL P1,R0RETIINTT1: ；中斷子程序使南北方向的燈閃爍SETB P1.1SETB P1.3SETB P1.5SETB P1.7LCALL DELAYCLR P1.1CLR P1.3CLR P1.5CLR P1.7LCALL DELAYRETI DELAY:MOV R1,#65H ；延時程序，延時一秒 LOOP2:MOV R2,#62H LOOP1:MOV R3,#31H LOOP0:DJNZ R3,LOOP0 DJNZ R2,LOOP1 DJNZ R1,LOOP2 RET TAB:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H ,86H,8EH,8CH END硬件與軟件的比較：在電路和程序設(shè)計過程中，涉及到軟件實現(xiàn)和硬件實現(xiàn)兩種方式，各有利弊。軟件方式用時間的復雜度代替了空間的復雜度。硬件方式反之。我們要針對具體情況選擇最佳方案。表2對時間控制的兩種實現(xiàn)方式作出了性能評估。表2性能比較 軟件定時硬件定時硬件電路復雜度無需多余硬件，電路簡單需要用計數(shù)器產(chǎn)生中斷，電路比較復雜軟件復雜度設(shè)定循環(huán)參數(shù)，用LOOP語言實現(xiàn)定時，編寫簡單要對計數(shù)器初始化，還要編寫中斷服務(wù)程序，較復雜 可靠性受CPU處理速度、狀態(tài)等多因素影響，可靠性較差完全由計數(shù)器單獨控制，可靠性高 實時性循環(huán)程序占用CPU。效率低、實時性較差采用中斷方式，效率低、實時性好 定時精確度各參數(shù)粗略計算得到、精確度較差通過控制輸入脈沖，能精確控制 使用場合對時間精確要求不高，在專用微機上使用的情況下常常用該方式對時間精確要求高、程序要求通用的情況下，應適用硬件定時 第4章 試驗結(jié)果及結(jié)論【結(jié)果】：先東西方向紅燈亮，與此同時南北方向的綠燈亮，數(shù)碼管倒計時10秒，亮起的燈都熄滅；之后四個黃燈都亮,閃兩次；然后東西方向綠燈亮，南北方向紅等亮，數(shù)碼管倒計時10秒，亮起的燈都熄滅；之后四個黃燈都亮,閃兩次。當南北有緊急時：按下南北緊急按鈕，南北方向燈全閃。當東西有緊急時：按下東西緊急按鈕，東西方向燈全閃。當有急救車、警車到達時，路口的信號燈全部變紅，以便讓急救車、警車通過。假定急救車、警車通過時間為10s，急救車、警車通過后，交通燈恢復先前狀態(tài)?！窘Y(jié)論】：單片機工程實踐結(jié)束了，通過這次實踐,我對仿真器的使用，對編程有了大概的了解。我學會了編寫一些簡單的程序，學會了繼電器，步進電機，流水線，交通燈控制的操作。并從實踐中逐漸掌握了一些編程的規(guī)律，通過這次工程實踐的鍛煉，提高了我的動手能力、獨立思考能力、創(chuàng)新能力。對于這門專業(yè)課單片機，我有了更深刻的了解與認識。隨著科學研究的飛速發(fā)展，單片機技術(shù)的出現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命，單片機技術(shù)的開發(fā)和應用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展的標志之一。單片機又稱MCU主要用于控制領(lǐng)域。由它構(gòu)成的檢測控制系統(tǒng)應該是實時的、快速的外部響應的功能，應該能迅速采集到